全世界博物館學術與實務界都共同肯定
「研究與教育」是博物館的任務與使命
「蒐藏與研究」是博物館的核心產能
博物館除展示以外，另一項重要任務即在建立國家資源及資料，以增進學術之研究，輔助展示教育，為博物館不可或缺的後盾。利用蒐藏品進行的學術研究可以得到具體的佐證，形成知識與論點；而研究的成果再透過標本及相關的圖片和資料，進行多元的展示和教育活動解說，也就是具體的知識推廣與社會分享。
本館為遂行上述使命，增進社會大眾對自然界及其演化史之瞭解，在蒐藏研究部門依專業學術職能分為生物學組、地質學組與人類學組，與展示、營運典藏與資訊、科教及行政部門共同達成專業分工、功能整合的組織策略。
本館之蒐藏品主要為動物學、植物學、地質學、人類學標本和文物，包括相關照片、幻燈片、錄影（音）帶等多媒體及繪畫、檔案資料和野外紀錄等。自民國92年下半年起更增加了植物活體、浸液和切片標本、真菌菌種標本、孢粉玻片標本、木材標本、種子標本等等。
各學組之蒐藏由蒐藏經理負責入館標本之處理、編目、入庫、保存等。而全館蒐藏品之登錄、異動、盤點、典藏環境監控及維護管理等則由典藏管理科統籌負責。目前實體標本典藏作業依循本館所訂定的「蒐藏管理作業要點」、 「 文物典藏防震防災及災害處理方案」 ， 以建立專業管理制度外，更自行發展建置本館「蒐藏管理」與「典藏作業」資訊系統，挑選精華藏品加入「數位典藏國家型科技計畫」， 以知識管理功能導向建置典藏數位化多媒體資料庫與入口網站，將蒐藏品資訊與知識分享社會。
目前已規劃使用之蒐藏空間包括標本暫存室、標本處理室及蒐藏庫等，面積約一萬五千平方公尺。